3. Введение примесей в кремний или легирование полупроводниковых материалов

3.1. Диффузия примесей в полупроводник

Для создания в полупроводнике слоев с различным типом проводимости и p - n-переходов в настоящее время используются два метода введения примеси: термическая диффузия и ионная имплантация (ионное легирование). С уменьшением размеров элементов ИМС и толщин легируемых слоев второй метод стал преимущественным. Однако и диффузионный процесс не теряет своего значения, тем более, что при отжиге полупроводника после ионного легирования распределение примеси подчиняется общим законам диффузии.

Диффузия - это обусловленный хаотическим тепловым движением перенос атомов, он может стать направленным под действием градиента концентрации или температуры. Диффундировать могут как собственные атомы решетки (самодиффузия или гомодиффузия), так и атомы других химических элементов, растворенных в полупроводнике (примесная или гетеродиффузия), а также точечные дефекты структуры кристалла - междоузельные атомы и вакансии.

Основные характеристики диффузионных слоев:

- поверхностное сопротивление, или поверхностная концентрация примеси;

- глубина залегания p - n-перехода или легированного слоя;

- распределение примеси в легированном слое.

До настоящего времени нет достаточно полной общей теории, позволяющей сделать точный расчет этих характеристик. Существующие теории описывают реальные процессы либо для частных случаев и определенных условий проведения процесса, либо для создания диффузионных слоев при относительно низких концентрациях и достаточно больших глубинах введения примеси. Причиной этого является многообразие процессов, протекающих в твердом теле при диффузии, таких как взаимодействие атомов различных примесей друг с другом и с атомами полупроводника, механические напряжения и деформации в решетке кристалла, влияние окружающей среды и других условий проведения процесса.

Механизмы диффузии примесей

О

Рис.3.1. Схема возможных механизмов диффузии атомов в кристаллах

сновными механизмами пере-мещения атомов по кристаллу могут быть (рис.3.1): прямой обмен атомов местами - а; кольцевой обмен - б; перемещение по междоузлиям - в; эстафетная диффузия - г; перемеще-ние по вакансиям - д; диссоциатив-ное перемещение - е; миграция по протяженным дефектам (дислока-циям, дефектам упаковки, границам зерен).

В любом процессе диффузии, как правило, имеют место все перечисленные механизмы движения атомов. При гетеродиффузии, по крайней мере, один из атомов является примесным. Однако вероятность протекания этих процессов в кристалле различна. Прямой обмен атомов требует очень большого искажения решетки в этом месте и связанной с ним концентрации энергии в малой области. Поэтому данный процесс оказывается маловероятным, как и кольцевой обмен.

Для диффузии примеси в полупроводнике наиболее существенны перемещения по междоузлиям и вакансиям. Обычно в кристалле полупроводника присутствуют два типа примесей - примеси внедрения и примеси замещения. В первом случае механизм диффузии сводится к последовательному переходу примесного атома из одного междоузлия в другое; во втором - атом перемещается по вакансиям.

Разновидностью движения по междоузлиям является эстафетный механизм, когда атом, находящийся в междоузлии, выталкивает атом из узла решетки. В случае передачи последнему значительной энергии он может в свою очередь вытолкнуть из узла следующий атом.

Вакансии в кристалле являются термодинамически равновесными точечными дефектами, возникающими вследствие тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки. В результате флуктуаций энергии в кристалле всегда найдется некоторое число атомов, энергия которых превышает среднюю. Такие атомы могут покинуть свой узел и перейти в междоузлие. При этом образуются два точечных дефекта: междоузельный атом и вакансия в узле, покинутом этим атомом (совокупность вакансия - междоузельный атом названа дефектом по Френкелю). На поверхности кристалла часть атомов также может обладать повышенной кинетической энергией, в этом случае происходит "испарение" атомов - переход в адсорбированное (дислоцированное) на поверхности состояние. Часть этих атомов может снова внедряться в решетку. Поскольку процессы "испарения" и обратного внедрения независимы, количество дефектов - вакансий в кристалле на месте "испаренных" атомов и атомов, адсорбированных на поверхности, может быть различно, поэтому в кристалле может образоваться дополнительное количество вакансий. Поверхностный атом может полностью испариться и уйти из кристалла. В любом случае при испарении образуется единичный дефект - вакансия. Освободившиеся на поверхности места могут занять атомы из следующих по глубине слоев кристалла, в результате вакансии с поверхности продвигаются в глубь твердого тела (дефекты по Шоттки).

Механизм диффузии по вакансиям с образованием твердого раствора замещения - гетеродиффузия - аналогичен самодиффузии, иначе говоря, процесс гетеродиффузии всегда сопровождается процессом самодиффузии. Энергия связи для чужеродного атома в решетке всегда меньше, чем для основных атомов, поэтому гетеродиффузия преобладает над самодиффузией. Образование вакансий около чужеродных атомов, таким образом, облегчается, вследствие чего диффузия часто происходит в виде движения комплекса чужеродный атом - вакансия.

При комнатной температуре равновесная концентрация вакансий в кремнии составляет 10⁷ - 10⁸ см^–3. Однако с повышением температуры до 1000 С она возрастает до 10¹⁶ - 10¹⁸ см^–3. При отклонении от равновесия концентрация вакансий увеличивается еще больше.

Примеси, создающие в полупроводнике тот или иной тип проводимости, являются примесями замещения. Основные донорные примеси в кремнии - элементы V группы таблицы Менделеева: фосфор, мышьяк, сурьма. Акцепторные примеси - элементы III группы: бор, алюминий, галлий, индий.

Большинство элементов, относящиеся к другим группам таблицы Менделеева (I, II, VI, VIII), образуют в кремнии растворы внедрения, т.е. диффундируют по междоузлиям. Поскольку им приходится преодолевать меньшие потенциальные барьеры, диффузия этих примесей осуществляется с большей скоростью.